基于珠澳双偏振雷达的初闪特征分析

2022-03-10王世强李韵婕詹棠黄菲靳春

广东气象 2022年1期

王世强，李韵婕，詹棠，黄菲，靳春

（1.珠海市公共气象服务中心，广东珠海 519000；2.珠海市气象局，广东珠海 519000；3.珠海市国家气候观象台，广东珠海 519000）

随着经济和科技的高速发展，以电力和电子为基础的微电子、信息网络、通信设备等在工业生产和人民生活中的应用越来越广泛，雷电灾害造成的经济损失和社会影响也越来越大［1-3］。因此开展闪电预报技术，尤其是初闪预报指标（预报参数和阈值）的研究具有重要意义。

近年来，国内外许多专家学者结合强对流天气的雷达资料和闪电定位资料对闪电的预报指标开展了许多的研究，尤其在利用传统单偏雷达资料制定闪电预报指标已有较成熟的理论和实践基础。有研究指出，当40 dBz的反射率达到-10℃且回波顶高度超过9 km时，可能发生闪电［4］；Michimoto［5］指出30 dBz回波达到-20℃高度后5 min可能出现初闪；杨汉贤等［6］基于回波顶高（Top）、垂直液态水含量（VIL）、不同温度层的回波强度制定了基于等温高度雷达反射率的闪电临近预报方案。

珠海市地处广东省南部沿海，水汽充沛，热力能量充足，年平均雷暴日达61 d，属于闪电高发区［7］。本研究利用2019年汛期（4—9月）的闪电定位资料［8-9］、珠澳双偏振雷达数据资料、TITAN风暴追踪资料［10］，分析了珠澳双偏振雷达150 km范围内初闪和对流云团风暴等参数特征，为制定基于双偏振雷达的初闪预报方案的风暴参数选择和阈值提供参考。

1 资料和方法

1.1 初闪个例选取

定义对流云团中首次出现的闪电为初闪。选取流程如下：

（1）利用粤港澳闪电定位数据，得到珠澳双偏振雷达150 km范围内的闪电数据，包括：闪电出现时间、闪电位置（经纬度）、闪电强度（正闪强度和负闪强度）；

（2）根据闪电出现的时间和位置，筛选出符合以下条件的闪电为初闪：该闪电出现前1 h内，其周围50 km无闪电出现；该闪电出现后0.5 h内，其周围20 km有闪电存在；

（3）初闪所在云团还需满足：云团面积＞4 km2且3 km高度最大反射率＞25 dBz。

1.2 特殊温度层高度的获取

以往的研究表明，特殊温度层（0、-10、-20℃）高度的反射率强度和水凝物成分对初闪预报起到关键作用，因此获得准确的特殊温度层高度十分重要。

（1）利用香港探空站（45004）每天08：00（北京时，下同）和20：00的探空资料中温度、高度层数据，计算得出每天这两个时刻的特殊温度层高度。

（2）利用FNL再分析资料（空间分辨率1°×1°，时间分辨率6 h）中的位势高度、温度等数据，获得111°E—116°E，20°N—24°N范围内每天02：00、08：00、14：00、20：00的特殊温度层高度场。

（3）一般情况下，探空站资料的准确度优于再分析资料，因此利用香港站的特殊温度层高度值对FNL资料得到的高度场进行订正，并将其线性插值到每个小时，最终得到111°E—116°E，20°N—24°N范围内逐小时0、-10、-20℃温度层的高度场数据。

1.3 初闪云团风暴参数获取

根据初闪发生时的时间和位置，结合TITAN的风暴追踪资料即可确定初闪发生时对流云团的范围，同时利用珠澳双偏振雷达网格化资料，提取初闪云团范围内的最大反射率、差分反射率、水凝物分类等数据，得到初闪发生时的相关风暴参数（相关参数意义详见表1），其中Top值和VIL值来自TITAN的风暴追踪资料，分别表征上升气流的强度和云内水汽含量，0、-10、-20℃高度反射率最大值（Ref0、Ref-10、Ref-20）、0℃层高度雪粒子和霰粒子所占百分比和0℃高度以上差分反射率垂直方向连续大于1的最大厚度（ZDR柱厚度）来自珠澳双偏振雷达资料，其中0℃高度及以上反射率过高，表示对流云内可能有软雹和丰富的过冷云水；ZDR柱存在表示对流云中上升气流强盛。

2 初闪的闪电特征

通过初闪个例筛选，共获得数据质量较好的个例165个，其中6—8月份个例最多，共占78.8%；5和9月份各占10.3%和9.7%；4月份初闪个例最少，仅有2个。初闪个例的月份分布与夏季（6—8月）对流云发展旺盛、闪电频发的季节特征相符合［11-12］。从初闪的位置分布（图1）来看，海洋上的初闪个例有109个，陆地上有56个；海洋初闪的闪电强度明显大于陆地；海洋初闪分布较为均匀，而陆地的初闪多集中在山脉和平原交界处。

图1 初闪个例的闪电强度和位置分布

总体来看，初闪时为负闪的个例占76.9%，且其强度明显大于正闪，最强负闪达到了-100 kA的强度（表1）；大部分初闪云团的面积小于150 km2，这与对流云团面积小、强度强的特点相符合，但也有云团的面积达到了500 km2以上，这可能是由于在大片的云团中某一位置出现雷暴，雷暴跟踪系统（TITAN）将整个云团识别出来，导致初闪云团面积看起来很大。

表1 陆地和海洋上的初闪特征对比

对比陆地和海洋上的初闪特征可以发现，海洋和陆地上负闪占比基本接近，说明初闪是正闪或负闪，都与闪电发生在海洋或陆地的环境差异关系不明显；海洋上初闪闪电强度的平均值和最大值较陆地上更强，云团面积的平均值和最大值也更大，这可能是由于海洋上水汽充足，更有利于大面积云团生成。

3 初闪云团的风暴参数特征

从初闪云团的风暴参数（图2）来看，VIL值集中（约25%～75%位数）在8～15 kg/m2；Top值集中在6～9 km；0℃、-10℃、-20℃高度反射率强度整体呈递减趋势，分布范围呈发散趋势，即高度越高反射率值越低，分布范围越广，0℃反射率集中在40～49 dBz，-10℃反射率集中在30～41 dBz，-20℃反射率集中在24～36 dBz；雪粒子和霰粒子面积占比大部分都在95%以上，但也有部分个例占比很小，不稳定性较大；有70%的个例中有ZDR柱存在，28%的个例ZDR柱厚度≥1.5 km。

图2 初闪对流云团的风暴参数分布

对比陆地和海洋初闪云团的风暴参数可以发现（表略），海洋个例的VIL值较陆地略小，但Top值略高；各层的反射率值海洋较陆地更高，整体偏高2～4 dBz，说明海洋上出现闪电可能较陆地需要更高的反射率值；雪粒子和霰粒子的百分比和ZDR柱厚度陆地和海洋差异不大，存在ZDR柱的初闪云团所占比例也基本相同。

4 初闪云团风暴参数之间的相关性

第3章分析了初闪云团7种风暴参数的分布特征，统计各参量之间的相关系数（表略）可知，VIL值和Top值之间的相关系数达到了0.67，这两个参量与各层反射率之间的相关系数也在0.3～0.5之间；Ref0、Ref-10、Ref-20之间的相关系数都在0.5以上，其中Ref-10与其他两层之间的相关系数最高均达0.8以上；雪粒子和霰粒子和ZDR柱厚度与其他各参量之间的相关性都很差，说明它们与其他参量之间不是简单的线性关系。